JP2734067B2 - コイル用電源の制御装置 - Google Patents

コイル用電源の制御装置

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Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、医療機器や加速器等の分野において、マグ
ネットやコイル等の誘導性負荷へ高精度で電流を供給す
るコイル用電源の制御装置に関する。
(従来の技術) 第4図は、マグネット等のコイル用電源の制御回路の
従来例を示すものである。同図において、1は直流電
源、2はトランジスタ、GTOサイリスタ、MOS−FET等の
半導体スイッチング素子Tu,TxとダイオードDu,Dxとから
なる電圧形インバータの如き電圧形電力変換器、3はマ
グネットを構成する負荷としてのコイルをそれぞれ示し
ており、直流電源1及び電力変換器2によってコイル用
電源5が構成されている。このコイル用電源5では、直
流電源1が発生する直流電圧を電力変換器2によりスイ
ッチング制御することにより、コイル3に任意の正負電
流を供給している。
コイル用電源5の制御装置10′の構成及び作用を説明
すると、以下のとおりである。すなわち、電流検出器11
により検出されたコイル用電源5の出力電流iと設定電
流iとの偏差が加算器12により求められ、この偏差
は、これを零とするように機能する電流調節器13に入力
される。この電流調節器13の出力は、電力変換器2の出
力電圧指令λとして移相器14に入力される。この移相器
14において、出力電圧指令λは三角波または鋸歯状波の
変調信号によりRWM変調されてパルス化され、電力変換
器2に対する基準ON/OFF指令aとなる。
この基準ON/OFF指令aは、パルス分配器15により電力
変換器2のスイッチング素子Tu,Tx用の各点弧パルスPu,
Pxに分配され、これらの点弧パルスはパルス増幅器16に
より増幅されて電力変換器2に送られる。そして、かか
る点弧パルスPu,Pxのオン,オフ指令に基づいて電力変
換器2が高周波スイッチングを行い、出力平均電圧を調
節して高精度の電流制御を行っている。
なお、第4図においては、電力変換器2を便宜上、1
上下アーム分についてのみ示しているが、実際には第6
図に示すように単相回路であったり第7図のように三相
回路であるのが普通である。これらの図において、
2′,2″は電力変換器を、また、5′,5″はコイル用電
源をそれぞれ示している。
(発明が解決しようとする課題) 上記制御装置10′において、点弧パルスPu,Pxを発生
するための移相器14及びパルス分配器15の動作メカニズ
ムを第5図に示す。すなわち、移相器14においては、電
流調節器13からの出力電圧指令λと三角波または鋸歯状
波の変調信号mとの切り合い比較を行い、その大小に応
じて電力変換器2の上側アームのスイッチング素子Tuま
たは下側アームのスイッチング素子Txのどちらを点弧す
るべきかの基準ON/OFF指令aを出力する。
パルス分配器15では、上記指令aから実際の点弧パル
スPu,Pxを生成するが、この際に上下アームの同時点弧
によるアーム短絡故障を避けるために、第5図に示す如
く点弧パルスPu,Pxにデッドタイムtdを設けることが通
常行われている。
このデッドタイムtdはこの種の電圧形電力変換器では
不可欠のものであるが、各スイッチング素子Tu,Txが点
弧するべき本来のタイミングが基準ON/OFF指令aに従っ
たものであるのに対し、上記デッドタイムtdに起因して
点弧パルスPu,PxはONのタイミングがずれたものとな
る。この現象はコイル用電源5の出力電流(電圧)の制
御に悪影響をもたらし、特に高精度制御を行う場合には
誤差原因として大きな問題となる。これを第8図ないし
第12図を参照して更に詳述する。
まず、第8図は第4図に示したコイル用電源5による
給電回路であり、また、第9図は、第5図に加えてスイ
ッチング素子TuとダイオードDxとのオン,オフ状態及び
コイル用電源5の出力電圧vを示したものである。い
ま、コイル用電源5の出力電流iの正方向を第8図の矢
印方向とし、コイル3のインダクタンスが大きいためス
イッチングの数サイクルにおいては電流値は変化しない
ものとする。
さて、コイル用電源5では、前述の如く生成された点
弧パルスPu,Pxによりスイッチング素子Tu,Txの点消弧が
行われるが、第8図では出力電流iが正方向であるた
め、実際に点弧し得るのは上アームのスイッチング素子
Tuと下アームのダイオードDxのみであり(このときの電
流方向を第8図の矢印,で示す)、そのオン・オフ
タイミング及びオン・オフ期間は第9図の通りとなる。
従って出力電圧vは、これらのスイッチング素子Tu及
びダイオードDxのオン・オフ期間にそのまま対応して図
示のように変化する。このことから明らかなように、出
力電流iが図示の正方向であるときには、スイッチング
素子Tuのオン期間がデッドタイムtdの影響によって本来
のものよりも短くなるため、出力電圧vの平均値が低め
になる。逆に、下アームのスイッチング素子Txと上アー
ムのダイオードDuとがオン・オフする負方向電流の場合
には、tdの影響によって出力電圧vが高めとなることは
容易に類推できる。
ところで、この種のコイル用電源の出力制御の面から
言えば、出力電圧vは本来的に電流調節器13からの出力
電圧指令λの大きさに比例して得られることが望まし
い。これは、出力電圧vが基準ON/OFF指令aの波形と相
似形になれば達成できることであるが、実際にはデッド
タイムtdにより前述のように誤差が生じ、出力電圧指令
λと出力電圧vとの関係は第10図の通りとなる。ここ
で、一点鎖線で示すのが理想直線(曲線)P1であるのに
対し、出力電流の正負方向に応じてP2,P3のようにλと
vとがずれてしまう。また、第11図は出力電圧指令λと
出力電流iとの関係を示しており、P1は理想直線、P4
実際の特性線、λofはオフセット電圧をそれぞれ表わし
ている。
以上の点に起因し、電流調節器13がP(比例)調節器
であれば、設定電流iと出力電流iとの関係は第12図
の理想直線Pのようにはならず、誤差の生じた特性線
Prとなることがわかる。ここで、低出力領域ではi
対して電流のゲインを零としているが、実際には様々な
理由で多少のゲインを持つことが多く、その場合には特
性線Prが破線で示すような特性となる。
何れにしても、従来では低出力領域で極端にゲインが
低下することにより、出力電流iに誤差が生じるという
不都合があった。また、この誤差をなくすために電流調
節器13としてPI(比例積分)調節器を用いることも考え
られるが、出力電流iを変化させる際には積分項では十
分に補正しきれず、やはり過渡的に誤差が発生するとい
う問題があった。
これらの問題点を解決する手段として、第1図に示す
制御装置10が考えられる。この制御装置10は第4図の制
御装置10′にオフセット補償回路20を付加して構成され
ている。
すなわち、オフセット補償回路20は、電流検出器11に
より検出された出力電流iの極性を判別する極性判別回
路17と、この極性判別回路17から出力される電流極性に
応じた±1の極性信号を、前記デッドタイムtdに起因し
て電流調節器13に要求されるオフセット電圧λofの相当
値に増幅して出力する比例アンプ18と、この比例アンプ
18からのオフセット電圧λofを電流調節器13から出力さ
れる出力電圧指令λに加算する加算器19とから構成され
ている。
なお、直流電流1及び電圧形電力変換器2からなるコ
イル用電源5、コイル3、制御装置10内の他の構成要素
は第4図と同様であるため、重複を避けるために詳述を
省略する。ここで、前記同様に電力変換器2は単相、三
相の何れであってもよく、半導体スイッチング素子の種
類も図示例に何ら限定されるものではない。
次に、この動作を第2図を参照しつつ説明すると、移
相器14の入力λ′とコイル用電源5の出力電流iとの関
係は第2図(イ)(第11図に相当)に示すような非線形
特性となるが、極性判別回路17及び比例アンプ18を介し
て得られた第2図(ロ)に示す如きオフセット電圧λof
を、加算器19において電流調節器13からの出力電圧指令
λに加算することにより、出力電圧指令λと出力電流i
との関係は第2図(ハ)に示すとおりとなる。すなわ
ち、出力電圧指令λと出力電流iとは線形(比例)関係
となって前記デッドタイムtdに起因する誤差を解消する
ことができる。
これにより、コイル用電源5からは出力電圧指令λに
比例した電圧vを出力させることができ、また、設定電
に一致する電流iを出力させることが可能となる。
なお、移相器14の入力λ′に対し、出力電流iが低出
力領域で零ゲインでなく多少ゲインを持つ場合には、前
記極性判別回路17はこれに応じた高ゲインのアンプとリ
ミッタとで置き換えることが可能である。
しかしながら、第1図の制御装置10では、本来的に出
力電流iの低出力領域における極性判別が必要であるた
め、極性判別回路17としては高感度であることが要請さ
れる。しかるに、このように極性判別回路17を高感度に
した場合には、出力電流iにリプルが存在するときに極
性判別回路17が誤動作してしまい、場合によっては、異
常発振現象を起こすおそれがある。
そこで本発明は、コイル用電源の出力電流にリプルが
存在する場合にも高精度に電流制御を行なうことができ
るコイル用電源の制御装置を提供しようとするものであ
る。
(課題を解決するための手段) 上記課題を解決するため、本発明は、直流電源と、こ
の直流電源による直流電力を交流電力に変換して負荷コ
イルに交流電流を供給する電圧形電力変換器とからなる
コイル用電源を制御するための制御装置であって、前記
コイル用電源の出力電流と設定電流との偏差に基づき前
記コイル用電源の出力電圧指令を生成する電流調節器
と、前記出力電圧指令に基づき前記電力変換器のスイッ
チング素子に対するON/OFF指令を生成する移相器とを備
えたコイル用電源の制御装置において、前記設定電流を
遅れ回路に入力して前記コイル用電源の出力電流を模擬
すると共に、この出力電流から、前記電力変換器の上下
アーム短絡防止期間に起因する前記コイル用電源の出力
電圧の変化を相殺するためのオフセット電圧を求め、こ
のオフセット電圧を前記出力電圧指令に加算するオフセ
ット補償回路を備えたものである。
(作用) 本発明においては、出力電圧指令に加算するオフセッ
ト電圧を設定電流に基づく出力電流の予測値から求める
ことにより、実際の出力電流にリプルが含まれている場
合にも、電流極性の判別に支障をきたすことなく高精度
に誤差のない電流制御を行うことができる。
(実施例) 以下、第3図を参照しつつ本発明の実施例の構成を説
明すると、第3図において第1図と異なるのはオフセッ
ト補償回路20Aの構成である。すなわち、オフセット補
償回路20Aは、設定電流iに対する出力電流iの応答
特性を模擬するための一次遅れまたは二次遅れ要素から
なる遅れ回路21と、前記極性判別回路17及び比例アンプ
18と、比例アンプ18の出力であるオフセット電圧λof
出力電圧指令λに加算する加算器19とから構成されてい
る。なお、他の構成は第1図においてオフセット補償回
路20を除いたものと同一である。
この動作を説明すると、本実施例において、設定電流
を遅れ回路21に入力した結果の出力はコイル用電源
5の出力電流iの予測値となる。この予測値は、前記同
様に極性判別回路17において極性が判別され、±1の極
性信号に変換される。この極性信号は、比例アンプ18に
より前記デッドタイムtdに起因して電流調節器13に要求
されるオフセット電圧λofの相当値に増幅され、この電
圧は加算器19によって電流調節器13からの出力電圧指令
λに加算される。そして、この加算結果であるλ′が移
相器14に入力されてPWM変調が行なわれ、以後、第1図
と同一の動作となる。
これにより、本実施例においても第2図(ハ)に示す
ような出力電流i及び出力電圧指令λの線形特性を得る
ことができる。
しかしてこの実施例においては、設定電流iに基づ
いてオフセット補償が行なわれるため、実際の出力電流
iにリプルが含まれていても極性判別回路17が誤動作す
る恐れがなく、異常発振等の問題を生じることがない。
なお、必要に応じて極性判別回路17を高ゲインのアンプ
とリミッタとに置換可能であるのは、第1図と同様であ
る。
(発明の効果) 以上のように本発明によれば、従来の制御装置に電流
極性判別回路や比例アンプ、加算器、遅れ回路等を付加
するだけで、コイル用電源の出力電圧指令に対する出力
電圧及び出力電流を比例関係にし、上下アーム短絡防止
用のデッドタイムに起因する低出力領域での出力電流の
誤差を解消できることはもとより、出力電流のリプルに
影響されない高精度な電流制御が可能になるという効果
がある。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の解決課題を説明するための制御装置の
回路図、第2図(イ)〜(ハ)はその作用を説明するた
めの特性図、第3図は本発明の一実施例を示す回路図、
第4図ないし第12図は従来技術を示すもので、第4図は
全体の回路図、第5図は第4図における点弧パルス生成
動作を示すタイミングチャート、第6図及び第7図は主
回路例を示す回路図、第8図は第4図に相当する回路
図、第9図は第8図における点弧パルス生成動作や出力
電圧等を示すタイミングチャート、第10図は出力電圧指
令と出力電圧との関係を示す特性図、第11図は出力電圧
指令と出力電流との関係を示す特性図、第12図は設定電
流と出力電流との関係を示す特性図である。 1……直流電源 2,2′,2″……電圧形電力変換器 3……コイル、5,5′,5″……コイル用電源 10,10A……制御装置、11……電流検出器 12,19……加算器、13……電流調節器 14……移相器、15……パルス分配器 16……パルス増幅器、17……極性判別回路 18……比例アンプ 20,20A……オフセット補償回路 21……遅れ回路

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流電源と、この直流電源による直流電力
    を交流電力に変換して負荷コイルに交流電流を供給する
    電圧形電力変換器とからなるコイル用電源を制御するた
    めの制御装置であって、前記コイル用電源の出力電流と
    設定電流との偏差に基づき前記コイル用電源の出力電圧
    指令を生成する電流調節器と、前記出力電圧指令に基づ
    き前記電力変換器のスイッチング素子に対するON/OFF指
    令を生成する移相器とを備えたコイル用電源の制御装置
    において、 前記設定電流を遅れ回路に入力して前記コイル用電源の
    出力電流を模擬すると共に、この出力電流から、前記電
    力変換器の上下アーム短絡防止期間に起因する前記コイ
    ル用電源の出力電圧の変化を相殺するためのオフセット
    電圧を求め、このオフセット電圧を前記出力電圧指令に
    加算するオフセット補償回路を備えたことを特徴とする
    コイル用電源の制御装置。
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